Um die Geschichte eines Organismus nachzuverfolgen, haben Forschende seine DNA in ein regelrechtes genealogisches Buch verwandelt und darin alles von Generation zu Generation festgehalten.
Alles beginnt mit einer einzigen Zelle: der befruchteten Eizelle einer Maus. Durch Teilung entstehen Zellen, aus denen das Gehirn, das Herz, die Haut und alle anderen Organe hervorgehen. Sobald diese Zellen jedoch spezialisiert sind, ist es sehr schwierig herauszufinden, welche von derselben Vorläuferzelle abstammen.
Illustration der DNA
Bild Pixabay
Ein Team der Universität Washington hat eine Möglichkeit entwickelt, diese Geschichte zu bewahren. Die Forschenden führten in die befruchtete Eizelle eine Vorrichtung namens DNA Typewriter, also eine „DNA-Schreibmaschine“, ein. Dabei handelt es sich um speziell entwickelte DNA-Abschnitte, die nacheinander gesetzte Markierungen aufnehmen können.
Mit der Entwicklung des Embryos kommen in einer bestimmten Reihenfolge neue Markierungen hinzu. Die Zellen geben diese Spuren anschließend an ihre Nachkommen weiter. Zwei Zellen mit derselben Abfolge von Markierungen haben daher wahrscheinlich irgendwann in ihrer Geschichte eine gemeinsame Vorläuferzelle gehabt.
Nach 13,5 Entwicklungstagen analysierten die Forschenden die Zellen eines Embryos. Sie konnten die in 1,28 Millionen von ihnen gespeicherten Spuren lesen, also in etwa 10 % seiner Zellen zu diesem Zeitpunkt. Anhand dieser Informationen rekonstruierten sie einen riesigen Stammbaum, der bis zur befruchteten Eizelle zurückreicht.
Die ersten Teilungen sind darin deutlich zu erkennen. Insbesondere fanden die Forschenden die Trennung zwischen den beiden allerersten Zellen des Embryos wieder. Anschließend verfolgten sie, wie sich deren Nachkommen auf verschiedene Gewebe und Organe verteilten.
Das Experiment zeigt außerdem, dass nicht alle Zellen gleichzeitig ihre spätere Aufgabe wählen. Einige für das Blut oder die Netzhaut bestimmte Zelllinien unterscheiden sich bereits früh. Andere, etwa diejenigen, die die äußere Hautschicht bilden, nehmen ihre Identität erst später an.
Man darf sich nicht vorstellen, dass die Forschenden jede dieser Teilungen fast zwei Wochen lang gefilmt haben. Sie lasen die Markierungen am Ende des Experiments und rekonstruierten anschließend anhand dieser Hinweise die Geschichte der Zellen. Das Ergebnis bleibt daher eine Rekonstruktion, die zudem nur einen Teil der Zellen umfasst.
Die Bedeutung geht über wissenschaftliche Neugier hinaus. Zu verstehen, wie eine Zelle einen Organismus hervorbringt, könnte helfen, Fehlbildungen, bestimmte genetische Krankheiten oder Krebs zu untersuchen. Das Team stellt diesen Stammbaum außerdem auf einer interaktiven Website bereit, damit andere Forschende ihn erkunden können.